JP4732930B2 - 同期機 - Google Patents

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Description

本発明は、同期モータ、同期発電機、同期調相機などの同期機に係り、特には同期機のトルク向上のための技術に関する。
従来、同期機として、例えば同期モータにおいては、電機子を固定子、界磁極を回転子として構成し、界磁極の界磁鉄心の周方向に沿って複数の永久磁石を配列するとともに、各永久磁石の間にそれぞれ突極を形成し、電機子に配置した電機子コイルにより回転磁界を発生させ、この回転磁界に界磁極を吸引して回転するようにしたものがある。その際、突極により電機子電流によるq軸方向の磁束が界磁極の界磁鉄心内を通り易くして、q軸のインダクタンスLqをd軸のインダクタンスLdよりも大きくして逆突極性をもたせることで、リラクタンストルクTrを有効利用するようにしている。
この同期モータの出力トルクTは、永久磁石の界磁によるフレミングトルクTfと上記のリラクタンストルクTrとを合成したものであるが、従来、界磁極の界磁鉄心の周方向に沿って永久磁石と突極とを単純に等間隔に配置した構成のものでは、両トルクTf,Trのピークが一致しておらず、このため、電機子コイルに対する電流位相制御を行った場合でもトルク増加を図る上で限界があった。
そこで、従来、突極を永久磁石の固定位置に対して電気角で45°以上90°未満の角度だけ、好ましくは45°ずらして配置することによって両トルクのピーク時を一致させ、これによってモータの出力を増大したり、同一トルクにおいてモータ形状を小型化するようにした技術が提案された(例えば、特許文献1参照)。
しかし、この特許文献1の構成にあっては、永久磁石の周方向の長さが比較的短くなり、これに伴って主磁束が減少して、結局、発生トルクの増加をそれほど見込めないという問題がある。そのため、さらに従来技術では、界磁極鉄心にスリットを形成し、このスリットにより磁気抵抗分布をd軸に対して非対称とし、かつ、スリットが永久磁石の主磁束の磁気抵抗とならないように構成することで永久磁石による主磁束が低減しないような改善を図ったものや(例えば、特許文献2参照)、界磁極鉄心の形状を工夫してスリットを用いずに特許文献2と同様の効果を得るようにした技術(例えば、特許文献3参照)が提案されている。
特開平7−143694号公報 特開平9−182330号公報 特開平10−112945号公報
ところで、同期モータにおいては、常に正転駆動するとは限らず、使用環境によって逆転駆動する場合も多く、また、機械要素に制動をかけるために積極的に逆転させる場合もある。
しかし、上記の特許文献1〜3に提示されているいずれの従来技術においても、永久磁石の主磁束方向に対して磁気抵抗の小さい突極(あるいは突極に相当する部分)を正転方向に電気角で45゜ずらせた位置に形成した構成であるため、正転方向においてはトルクの増大効果が得られるものの、逆転方向に対してはリラクタンストルクが正転方向とは逆方向に作用するためにトルクが低下してしまうという問題が残っている。この点について、図17および図18を参照してさらに詳述する。
同期モータに発生するトルクTは、q軸のインダクタンスLqおよびd軸のインダクタンスLdを用いて以下のように表現される。
T=Tf+Tr (1)
Tf=Pn・φm・iq (2)
Tr=Pn・(Ld−Lq)・id・iq (3)
ここに、Tf:フレミングトルク、Tr:リラクタンストルク、Pn:極対数、φm:主磁束、id:電機子電流のd軸成分、iq:電機子電流のq軸成分である。
idおよびiqを様々に変化させることによって発生するトルクTが式(1)〜(3)にしたがって変わる。図17に示すようにidとiqのベクトル方向の角度差をθとすると、例えば、極数が“2”の場合で、突極を永久磁石M1,M2の固定位置(中心位置)Cn,Csから正転方向に電気角で45°ずらして配置した場合の電気角と磁束密度との関係を模式的に表すと図18(a),(b)に示すようになる。
図18(a)は正転の場合、同図(b)は逆転の場合を示しており、正逆いずれの回転時も、フレミングトルクTfは永久磁石の磁極中心Cnと磁極中心Csとの中央点の電気角180゜のときに通電することで最大ピークを得ることができる。また、リラクタンストルクTrは突極の位置から回転方向に電気角で45°回転したときに通電することで最大ピークを得ることができる。
図18(a)の正転時には、フレミングトルクTfの最大ピークを得るための通電時の位置と、リラクタンストルクTrの最大ピークを得るための通電時の位置とは共に電気角180゜で一致しており、両トルクTf,Trのピーク発生時が一致することから、両トルクTf,Trを加算したトルクTはこの電気角180゜のときに最大となる。
これに対して、図18(b)の逆転時には、フレミングトルクTfの最大ピークを得るための通電時の位置と、リラクタンストルクTrの最大ピークを得るための通電時の位置とが一致しておらず、両トルクTf,Trの最大ピーク発生時が相違して大きなずれΔθ’が生じることから、発生トルクTはフレミングトルクTfの最大ピークとリラクタンストルクTrの最大ピークとを加算した値よりも小さくなる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合に、正逆いずれの回転方向もしくは摺動方向に対してもフレミングトルクとリラクタンストルクの最大ピーク発生時が常に一致するようにして、従来よりも一層トルクの増大化を図ることができる同期機を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、電機子コイルを有する電機子と、この電機子と所定のギャップを介して配置された界磁極とを有する同期機において、次の構成を採用している。
すなわち、本発明の同期機において、上記界磁極は、界磁鉄心に複数の永久磁石が配列されるとともに、その配列方向に沿って隣り合う永久磁石同士が互いに異極となるように着磁され、また、上記配列方向に沿って隣り合う各永久磁石の間にそれぞれ上記界磁鉄心から突出した突極が形成され、上記各突極には当該突極を電磁石として作用するための界磁コイルが巻装され、かつ、上記配列方向に沿って隣り合う界磁コイル同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されており、各永久磁石から見て上記電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合の回転方向もしくは摺動方向に沿って最も隣接する突極が当該永久磁石の極性と同じ極性となるように上記各界磁コイルに界磁電流が通電されていることを特徴としている。
本発明によれば、電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合に、回転方向または摺動方向に合わせて界磁コイルの通電方向を変えることにより、正逆いずれの回転方向もしくは摺動方向に対してもフレミングトルクとリラクタンストルクの最大ピークの発生時が常に一致する。したがって、従来よりも一層トルク増大を図った同期機を提供することが可能となる。
以下、本発明を同期機として同期モータに適用した場合の実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1における同期モータの構造を示す断面図、図2は図1のX−X線に沿う断面図である。
この実施の形態1の同期モータは、固定子となる電機子1と、回転子となる界磁極2とを備え、両者1,2がギャップ3を介して同心状に配置され、電機子1はハウジング4に取り付けられ、また、界磁極2はベアリング5により回転自在に支持されたシャフト6に固定されている。なお、7は界磁極2の回転角度を検出する角度検出器である。
上記の電機子1は、電機子鉄心10の内周部に形成された磁極ティース11に電機子コイル12が巻装されてなる。また、界磁極2は、界磁鉄心20に複数(本例では2つ)の永久磁石21が周方向に沿って配列されるとともに、その配列方向に沿って隣り合う(本例では2極なので互いに対向している)永久磁石21同士は互いに異極となるように着磁されている。また、配列方向に沿って隣り合う各永久磁石21の間にはそれぞれ界磁鉄心20から突き出た突極22が形成されており、各突極22には界磁コイル23が巻装されている。
この場合、配列方向に沿って隣り合う(本例では2極なので互いに対向している)界磁コイル23同士はその巻方向が互いに逆巻になるように形成されている。そして、本例ではシャフト6に一体的に固定されたバッテリ30から界磁コイル23に通電されるようになっている。したがって、バッテリ30から各界磁コイル23に通電した場合、各突極22は電磁石として作用する。なお、各界磁コイル23のバッテリ30に対する接続は、直列接続あるいは並列接続のいずれであってもよい。
しかも、この実施の形態1では、各永久磁石21から見て界磁極2の回転方向に沿って最も隣接する突極22が当該永久磁石21の極性と同じ極性が発生するように各界磁コイル23に界磁電流を流すようにしている。
すなわち、図3(a)に示すように、界磁極2が時計方向に回転するときは、N極の永久磁石21から見てその時計方向に沿って最も隣接する突極22が当該永久磁石21のN極と同じN極が発生するように界磁コイル23に通電する。同様に、S極の永久磁石21から見てその時計方向に沿って最も隣接する突極22が当該永久磁石21のS極と同じS極が発生するように界磁コイル23に通電する。一方、図3(b)に示すように、界磁極2が反時計方向に回転するときは、N極の永久磁石21から見てその反時計方向に沿って最も隣接する突極22に当該永久磁石21のN極と同じN極性が発生するように界磁コイル23に通電する。同様に、S極の永久磁石21から見てその反時計方向に沿って最も隣接する突極22に当該永久磁石21のS極と同じS極が発生するように界磁コイル23に通電する。
これにより、永久磁石21とその回転方向に沿って最も隣接する突極22とで1極の磁極が構成される。よって、この実施の形態1では、界磁極2全体で2極の磁極が形成される。このとき、永久磁石21の磁極中心とその隣の突極22の磁極中心とは、電気角で90゜(本例では2極なので機械角も90゜)ずれている。
また、上記のように、界磁極2の正転、逆転の方向に応じて各突極22の界磁コイル23に永久磁石21の極性に適合した極性をもたせるためには、例えば界磁極2の回転が停止しているときにバッテリ30を着脱して極性の向きを切り替えることにより簡単に実現することができる。
なお、界磁コイル23の抵抗は温度による変化分だけであるから、バッテリ30を使用すると定電圧源のみならず定電流源としても作用するために好ましい。また、本例のように、バッテリ30をシャフト6に一体的に固定した構成すると、ブラシを用いた給電による損失を低減できるのでより好ましいが、ブラシを介して電流を供給することも可能である。
また、この実施の形態1では、界磁鉄心20は電磁鋼板を打ち抜いて積層することにより構成されている。このようにすると、回転方向を切り替えるときには界磁コイル23に通電する電流の向きを反転させる際にも、誘起電圧差が小さくなるために渦電流を低減することができ、高効率な同期モータが得られる。
次に、上記構成の同期モータによって、フレミングトルクTfとリラクタンストルクTrの最大ピークの発生時を、正転および逆転のいずれの回転方向についても一致させることができる理由について、図3ないし図5を参照して説明する。
発明が解決しようとする課題の欄において既述したように、正転、逆転いずれの場合も、フレミングトルクTfは磁極中心と磁極中心の中央点で電流を通電することで最大ピークを得ることができる。また、リラクタンストルクTrは突極22の位置から回転方向に45°回転した位置で電流を通電することで最大ピークを得ることができる。
いま、図3(a)に示すように界磁極2が時計回りに回転するときを正転、図3(b)に示すように界磁極2が反時計回りに回転するときを逆転とすると、正転、逆転いずれの場合も、ある永久磁石21から回転方向を見てすぐ隣りにある突極22はその永久磁石21と同じ極を発生させるように通電されている。このため、前述のように永久磁石21と回転方向に隣り合う突極22とで一極の磁極を構成している。
ここで、図3(a)に示すように界磁極2が正転し、かつ、界磁コイル23による発生磁束と永久磁石21の発生磁束とが等しいとすると、図4(a)に示すように、永久磁石21とその隣の突極22とで形成される一つのN極の磁極中心は符号Cnで示す位置にあり、また、永久磁石21とその隣の突極22とで形成される一つのS極の磁極中心は符号Csで示す位置にある。したがって、フレミングトルクTrは、両磁極中心Cn,Csの中央点であるq軸の位置(電気角0゜と180゜)で通電すれば最大ピークが得られる。また、リラクタンストルクTrは、突極22の位置から回転方向に45°回転した位置で通電すれば最大ピークが得られるが、その位置はq軸の位置(電気角0゜と180゜)と一致する。つまり、界磁極2の正転時には、両トルクTf,Trの最大ピークの発生時が一致するので、両トルクTf,Trを加算したトルクTはこのq軸の位置(電気角0゜と180゜)で最大となる。
次に、図3(b)に示すように界磁極2が逆転し、かつ、界磁コイル23による発生磁束と永久磁石21の発生磁束とが等しいとすると、図4(b)に示すように、永久磁石21とその隣の突極22とで形成される一つのN極の磁極中心は符号Cnで示す位置にあり、また、永久磁石21とその隣の突極22とで形成される一つのS極の磁極中心は符号Csで示す位置にある。したがって、フレミングトルクTrは、両磁極中心Cn,Csの中央点であるq軸の位置(電気角90゜と270゜)で通電すれば最大ピークが得られる。また、リラクタンストルクTrは、突極22の位置から回転方向に45°回転した位置で通電すれば最大ピークが得られるが、その位置はq軸の位置(電気角90゜と270゜)と一致する。つまり、界磁極2の逆転時においても、両トルクTf,Trの最大ピークの発生時が一致するので、両トルクTf,Trを加算したトルクTはこのq軸の位置(電気角90゜と270゜)で最大となる。
このように、界磁コイル23による突極22での発生磁束が永久磁石21の発生磁束と等しいときには、正転、逆転いずれの場合も、磁極中心Cn,Csの位置から回転方向に45°回転した位置にそれぞれ突極22があることによってフレミングトルクTfとリラクタンストルクTrのピーク発生時が一致するので、両トルクTf,Trを加算したトルクTとして最大の値を得ることができる。
なお、上記の説明は、界磁コイル23による突極22での発生磁束と永久磁石21の発生磁束とが等しい場合の最も好適な例であるが、次に、界磁コイル23により突極22に生じる磁束が永久磁石21による発生磁束と若干異なる場合について、図5を参照して説明する。
図5では、突極22での発生磁束が永久磁石21の発生磁束よりも小さい場合の磁極の様子を示している。このとき、永久磁石21とその隣の突極22で形成される一つのN極の磁極中心は符号Cnで示す位置にあり、また、永久磁石21とその隣の突極22とで形成される一つのS極の磁極中心は符号Csで示す位置にあり、各磁極中心Cn,Csは、図4に示した位置よりも突極22の位置に近付く。つまり、磁極中心Cn,Csと突極22との間の電気角は通電する電流の大きさによって45°〜90°まで変化する。したがって、フレミングトルクTfとリラクタンストルクTrのピーク発生時に若干のずれΔθが生じるが、従来技術のように、界磁極2を逆転する場合に生じたようなフレミングトルクTfとリラクタンストルクTrのピーク発生時のずれΔθ’(図18(b)参照)程には大きくならないので、十分に実用性がある。
これとは逆に、突極22での発生磁束が永久磁石21の発生磁束よりも大きい場合は、磁極中心と突極22の間の電気角は通電する電流の大きさによって0°〜45°まで変化する。このときにおいても、突極22における発生磁束が永久磁石21の発生磁束よりも小さい場合と同様に、十分に実用性がある。
以上のように、この実施の形態1では、正転、逆転のいずれの回転方向に対してもフレミングトルクTfとリラクタンストルクTrの最大ピークの発生時が常に一致するので、従来よりも一層トルク増大を図ることができる。しかも、この実施の形態1では、永久磁石21に基づく主磁束が減少した分を界磁コイル23による主磁束で補う構造となっているため、従来技術(特許文献1)のように主磁束が減少するといった問題は生じない。さらに、この同期モータを駆動するための電源制御装置は、電機子コイル12に通電する電流の位相を運転途中で変化させなくても最大トルクを得ることができるため、電流位相制御を行う場合の演算を簡素化できるという利点がある。
なお、この実施の形態1の同期モータは、中央の界磁極2を回転子、その周りの電機子1を固定子とした、いわゆるインナロータ型の場合について説明したが、その逆に、中央の界磁極2を固定子、その周りの電機子1を回転子とした、いわゆるアウタロータ型の場合にも本発明を適用することができる。
実施の形態2.
図6は本発明の実施の形態2における同期モータの構成を示す断面図であり、図1および図2に示した実施の形態1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
上記の実施の形態1では、界磁極2に設けた個々の永久磁石21によってそれぞれ一つのN極やS極を構成しているが、この実施の形態2では、複数の永久磁石21a,21bを組み合わせて一つの極21を構成している。この構成の場合には、同期モータが大きくなった場合でも、各極21を小さな永久磁石21a,21bを組み合わせて構成できるため、容易かつ安価に製作できる利点がある。その他の構成、および作用効果は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
実施の形態3.
図7は本発明の実施の形態3における同期モータの構成を示す断面図であり、図1および図2に示した実施の形態1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
図1および図2に示した実施の形態1の同期モータにおいては、電機子1の内周側にギャップ3を介して界磁極2を配置しているが、この実施の形態3では、その逆に、永久磁石21と界磁コイル23を備えた界磁極2の内周側にギャップ3を介して電機子1を配置している。なお、この場合は、界磁極2が回転子で電機子1が固定子となるアウタロータ型、あるいはその逆に、界磁極2が固定子で電機子1が回転子となるインナロータ型のいずれであってもよい。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
実施の形態4.
図8は本発明の実施の形態4における同期モータの界磁極2の構成を示す断面図であり、図1および図2に示した実施の形態1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態4の同期モータの特徴は、界磁極2の周りにステンレス鋼製の管24を取り付けたことである。このように構成することによって、界磁極2の回転により生じる遠心力によって永久磁石21が飛散することを防ぐことができ、かつ、界磁コイル23が突極22から抜け出すことを防ぐことができる。なお、同様な効果を得る目的で、樹脂モールドで界磁極2の周りを覆い固めてもよく、あるいは、ガラス強化繊維を界磁極2の周りに巻装してもよい。管24やモールドを用いた場合、磁石飛散防止およびコイル抜け止めの効果以外にも、界磁極2の表面が滑らかになることよって風損が低減できるという効果を得ることができる。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
実施の形態5.
図9は本発明の実施の形態5における同期モータの界磁極2の構成を示す断面図であり、図1および図2に示した実施の形態1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態5の同期モータの特徴は、永久磁石21が界磁鉄心20の内部に埋設されている。また、界磁鉄心20の外周側には、界磁コイル23を覆うコイル覆部25が突極22からその周方向に沿って一体に延設されている。
永久磁石21を界磁鉄心20の内部に埋設することによって、永久磁石21の飛散を防止することができ、また、界磁鉄心20にコイル覆部25を形成することによって、界磁コイル23が抜け出すのを防止できる。さらに、実施の形態4のような管24などの部品が増加せず、組立工数を削減することができる。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
実施の形態6.
図10は、図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリ30から界磁極2の界磁コイル23に通電する場合のこの実施の形態6の回路図である。
実施の形態1で説明したように、界磁極2の回転方向に応じて各突極22に適切な極性をもたせるためには、界磁極2の回転方向に応じて界磁コイル23に流れる電流の向きを切り替える必要がある。そのため、実施の形態1では、例えば界磁極2の回転が停止しているときにバッテリ30を着脱して極性の向きを切り替えている。しかし、そのようにするとバッテリ30の脱着に手間がかかり煩雑である。
そこで、この実施の形態6では、界磁コイル23に通電する回路の途中にメカニカルなスイッチ31を設け、このスイッチ31によって界磁コイル23に流れる電流の向きを簡単に切り替えることができるようにしている。すなわち、各スイッチ31の共通端子31aを一方の個別端子31bに接続する場合と、他方の個別端子31cに接続する場合とで界磁コイル23に流れる電流の向きを簡単に切り替えることができる。なお、この場合、界磁極2が回転子となる場合には、ブラシを設けるなどの給電の煩雑を省くため、スイッチ31はバッテリ30と共に界磁極2と一体に設けられている。また、同期モータを使用しない場合には各スイッチ31をオフにしておけば、バッテリ30の余分な電力消費を抑えることができるので都合がよい。
実施の形態7.
図11は、図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリ30から界磁極2の界磁コイル23に通電する場合のこの実施の形態7の回路図であり、図10に示した実施の形態6と対応する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態7では、図10に示した実施の形態6のメカニカルなスイッチ31に代えて、半導体からなるスイッチ31により構成した。そして、これらのスイッチ31に対しては、その切り替え動作をリモコン32からの無線信号に基づいて行う受信器33が設けられている。すなわち、リモコン32から受信器33に対して切替信号を送信すると、これに応じて受信器33がスイッチ31を制御して界磁コイル23に流れる電流の向きが切り替わるようになっている。なお、受信器33は、スイッチ31やバッテリ30と共に界磁極2に一体に設けられている。そして、上記のリモコン32と受信器33とが特許請求の範囲のスイッチ切替制御手段に対応している。
この構成によれば、同期モータを駆動源とした各種の装置に、当該同期モータを入り込んで設置した場合においても、リモコン32から受信器33に無線で指令を与えることによってスイッチ31を制御して界磁コイル23に流れる電流の向きを簡単に切り替えることができる。しかも、界磁極2が回転中でも簡単に切り替えることができる。なお、この場合も同期モータを使用しないときには各スイッチ31をオフにしておけば、バッテリ30の余分な消費を抑えることができる。
実施の形態8.
図12は、図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリ30から界磁極2の界磁コイル23に通電する場合のこの実施の形態8の回路図である。
この実施の形態8では、マイクロコンピュータ等からなるコントローラ34を有し、このコントローラ34は、界磁極2の回転方向に応じて半導体のスイッチ31を制御して界磁コイル23に流れる電流の向きが切り替わるように制御するとともに、界磁極2の回転速度および界磁極2の回転に伴って発生する電機子コイル12への誘起電圧の大きさに基づいて、バッテリ30から界磁コイル23へ供給される界磁電流の大きさを制御するように構成されている。したがって、コントローラ34が特許請求の範囲における弱め界磁制御手段に対応している。
通常、回転速度が大きくなるのに従って電機子1の電機子コイル12に生じる誘起電圧が次第に大きくなり、何ら対策を講じない場合には、図13中、符号L1で示すように、誘起電圧が電源電圧を越えてしまい運転ができなくなる。そこで、コントローラ34は、誘起電圧の大きさをモニタしながら、誘起電圧が電源電圧に近似した値になると回転速度の増加に応じてバッテリ30の電圧を制御し、界磁コイル23に通電される界磁電流を次第に低減して界磁極2の磁束を抑制する、いわゆる弱め界磁制御を行う。これにより、図13中、符号L2で示すように、電機子コイル12に生じる誘起電圧を電源電圧以下に抑えることができるので、広範囲な回転速度で同期モータを回転させることが可能となる。
なお、図12に示した構成では、コントローラ34が回転速度の増加に伴ってバッテリ30から界磁コイル23へ供給される界磁電流の大きさを連続的に低減して弱め界磁制御を行うようにしているが、図14に示すように、複数のバッテリ30とスイッチ35とを縦列接続し、コントローラ34が回転速度の増加に伴って各スイッチ35を切り替えることにより、界磁コイル23へ供給される界磁電流の大きさを段階的に変化させるようにすることも可能である。この場合にも、図15に示すように、電機子コイル12に生じる誘起電圧を電源電圧以下に抑えることができるので、運転可能な回転速度範囲を拡大することができる。
実施の形態9.
図16は本発明の実施の形態9におけるリニア同期モータの構成図である。
この実施の形態9のリニア同期モータは、電機子1と界磁極2とが相対的に摺動可能なように所定のギャップ3を介して配置されている。この実施の形態9のリニア同期モータにおいても、実施の形態1と同様、電機子1は電機子鉄心10の内周部に形成された磁極ティース11に電機子コイル12が巻装されてなる。また、界磁極2は、界磁鉄心20に複数の永久磁石21が配列されるとともに、配列方向に沿って隣り合う永久磁石21同士は互いに異極となるように着磁され、また、配列方向に沿って隣り合う各永久磁石21の間にはそれぞれ界磁鉄心20から突き出た突極22が形成され、各突極22に界磁コイル23が巻装されている。
そして、配列方向に沿って隣り合う界磁コイル23同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されており、各永久磁石21から見て電機子1と界磁極2とが相対的に摺動する場合の摺動方向に沿って最も隣接する突極22が当該永久磁石21の極性と同じ極性となるように各界磁コイル23に界磁電流が通電されている。
この実施の形態9のリニア同期モータの場合にも、動作原理は実施の形態1の回転式の同期モータと同じであり、フレミング推力のピーク値とリラクタンス推力のピーク値とを電気角で45°以内に近づけることができる。このため、リニア同期モータの発生推力を増大できるという効果を得ることができる。しかも、永久磁石21に基づく主磁束が減少した分を界磁コイル23による主磁束で補う構造となっているため、従来技術(特許文献1)のように主磁束が減少するといった問題も生じない。また、リニア同期モータの場合は、界磁コイル23に給電するためのブラシが基本的に不要であるため、ブラシ損失を低減することができる。
また、実施の形態8の場合と同様に、移動速度が大きい領域では界磁コイル23に通電する電流を低減して界磁極2の磁束を抑制する弱め界磁制御を行うことで、界磁極2が相対的に移動することにより発生する誘起電圧を電源電圧以下に抑えることができ、より広範囲な移動速度でリニア同期機を動作させることができる。
なお、図16に示した構成のリニア同期モータでは、界磁極2の摺動方向の長さが電機子1の摺動方向長さよりも長くなっているが、どちらが長くてもかまわない。また、図16では直線状のリニア同期モータを示したが、移動端のある同期モータ、例えば円弧状の同期モータの場合でも本発明を適用することができる。
上記の実施の形態1〜8では、2極の同期モータについて説明したが、2極よりも極数が大きい同期モータの場合にも本発明を適用することができるのは勿論である。さらに、上記の実施の形態1〜9では、本発明を同期モータに適用した場合の実施の形態について説明したが、本発明はこのような同期モータに限定されるものではなく、同期発電機や同期調相機などにも適用することができる。さらに、本発明は上記の実施の形態1〜9の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において各種の変形を加えることが可能である。
本発明の実施の形態1における同期モータの構造を示す断面図である。 図1のX−X線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態1における同期モータの回転状態の説明図であり、同図(a)は正転の場合、同図(b)は逆転の場合の状態をそれぞれ示している。 実施の形態1の同期モータの界磁極において、界磁コイルによる発生磁束が永久磁石の発生磁束と等しい場合の電気角と磁束密度との関係を模式的に表す説明図で、同図(a)は正転の場合、同図(b)は逆転の場合の状態をそれぞれ示している。 実施の形態1の同期モータの界磁極において、界磁コイルによる発生磁束が永久磁石の発生磁束と若干異なる場合の電気角と磁束密度との関係を模式的に表す説明図である。 本発明の実施の形態2における同期モータの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態3における同期モータの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態4における同期モータの界磁極の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態5における同期モータの界磁極の構成を示す断面図である。 図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態6の回路図である。 図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態7の回路図である。 図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態8の回路図である。 図12に示す構成の回路において弱め界磁制御を行う場合の説明図である。 図1に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態8の変形例を示す回路図である。 図14に示す構成の回路において弱め界磁制御を行う場合の説明図である。 本発明の実施の形態9におけるリニア同期モータの構成図である。 電流のベクトルを説明する図である。 従来の同期モータの界磁極における電気角と磁束密度との関係を模式的に表す説明図で、同図(a)は正転の場合、同図(b)は逆転の場合の状態をそれぞれ示している。
符号の説明
1 電機子、2 界磁極、3 ギャップ、10 電機子鉄心、12 電機子コイル、
20 界磁鉄心、21 永久磁石、22 突極、23 界磁コイル、30 バッテリ、
31 スイッチ、32 リモコン(スイッチ切替制御手段)、
33 受信器(スイッチ切替制御手段)、34 コントローラ(弱め界磁制御手段)。

Claims (8)

  1. 電機子コイルを有する電機子と、この電機子と所定のギャップを介して配置された界磁極とを有する同期機において、上記界磁極は、界磁鉄心に複数の永久磁石が配列されるとともに、その配列方向に沿って隣り合う永久磁石同士が互いに異極となるように着磁され、また、上記配列方向に沿って隣り合う各永久磁石の間にそれぞれ上記界磁鉄心から突出した突極が形成され、上記各突極には当該突極を電磁石として作用するための界磁コイルが巻装され、かつ、上記配列方向に沿って隣り合う界磁コイル同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されており、各永久磁石から見て上記電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合の回転方向もしくは摺動方向に沿って最も隣接する突極が当該永久磁石の極性と同じ極性となるように上記各界磁コイルに界磁電流が通電されていることを特徴とする同期機。
  2. 上記永久磁石の磁極中心と上記突極の磁極中心とが、電気角で90゜ずれて設定されていることを特徴とする請求項1記載の同期機。
  3. 上記永久磁石で発生される磁束に対して、上記突極に設けた上記界磁コイルで発生される磁束が略等しくなるようにコイル巻数や界磁電流が設定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の同期機。
  4. 上記電機子と界磁極のいずれか一方が固定子、他方が回転子として構成されており、上記界磁極には上記界磁コイルに界磁電流を供給するバッテリが設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の同期機。
  5. 上記バッテリから界磁コイルへ供給する界磁電流の向きを切り替えるスイッチを備えることを特徴とする請求項4記載の同期機。
  6. 上記スイッチの切り替えを無線信号に基づいて行うスイッチ切替制御手段を備えることを特徴とする請求項5記載の同期機。
  7. 上記電機子と界磁極のいずれか一方が固定子、他方が回転子として構成されており、上記回転子の回転速度、および電機子コイルへの誘起電圧の大きさに基づいて上記界磁コイルへ供給される界磁電流の大きさを制御する弱め界磁制御手段を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の同期機。
  8. 上記電機子と界磁極のいずれか一方が固定子、他方が摺動子として構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の同期機。
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